(57)【要約】【課題】マイクロ波の放射効率の良いプラズマ放射アンテナ、導波管及び、これを用いたプラズマ処理装置を提供すること。【解決手段】内部に被処理基板を収容した処理容器と；プラズマ励起用の電磁波を発生する電磁波発生部と；前記電磁波を前記処理容器内へ放射し、プラズマを発生するアンテナと；前記電磁波発生器が発生した電磁波を前記アンテナへ導く導波管とを備える。前記アンテナには、前記導波管から電力を導入するための給電部と、当該給電部とは反対面に形成された複数のスロットとが形成される。また、前記給電部は、前記アンテナ内を伝搬する電磁波の伝搬距離が短くなる位置に形成される。そして、電磁波は前記アンテナのスロットから前記処理容器内へ放射される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に被処理基板を収容した処理容器と；
プラズマ励起用の電磁波を発生する電磁波発生部と；
前記電磁波を前記処理容器内へ放射し、プラズマを発生させるアンテナと；
前記電磁波発生器が発生した電磁波を前記アンテナへ導く導波管とを備え、
前記アンテナには、前記導波管から電力を導入するための給電部と、当該給電部とは反対面に形成された複数のスロットとが形成され、
前記給電部は、前記アンテナ内を伝搬する電磁波の伝搬距離が短くなる位置に形成され、
電磁波は前記アンテナのスロットから前記処理容器内へ放射されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記アンテナにおいて、電磁波が伝搬する空間の外周部が円形であり、前記スロットが形成されている面は前記被処理基板側で略平面であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記アンテナにおいて、前記給電部は当該アンテナの中心部と外縁部との中間付近に配置されることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記アンテナの最外周部は金属体で囲われ、当該アンテナを伝搬する電磁波が外周部から外部にリークしない構造であることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記アンテナの中心部には、伝搬する電磁波が当該中心部をまたがって伝搬することを防止する金属体が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記金属体は、円筒状或いは円柱状であることを特徴とする請求項４又は５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記アンテナの最外周部に、電磁波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求項２，３，４，５又は６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記アンテナの最内周部に、電磁波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記導波管とアンテナとの負荷を最適に整合させるために、当該導波管は前記給電部に近づくに従って広がるテーパ状に成形されていることを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７又は８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記アンテナは矩形であり、
前記処理容器側の面に前記スロットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記給電部は、前記スロットが形成されている面とは反対側の面において、前記アンテナを二分する位置付近に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記アンテナの両端部は金属体で囲われ、当該アンテナを伝搬する電磁波が端部から外部にリークしない構造であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
前記アンテナの空間の端部に、電磁波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求項１０，１１又は１２に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いて半導体基板やＬＣＤ用ガラス基板、あるいは有機ＥＬ用基板を処理するプラズマ処理装置に関し、特に、マイクロ波放射アンテナ及び導波管の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラズマを用いた半導体基板の処理技術の発達がめざましい。プラズマ処理を用いると、半導体基板の処理温度を従来に比べて大幅に低温化できる等のメリットがあるためである。プラズマ処理のためには、マイクロ波（電磁波）を処理容器内に導入する必要がある。高周波の電磁波発振器で発振されたマイクロ波は、導波管、アンテナ、場合によっては誘電体窓等を介して処理容器に導入される。アンテナには、例えば、マイクロ波の１波長分のピッチに配置された多数のスロットが形成される。導波管からアンテナに給電されたマイクロ波は、外周方向に伝搬する間にスロットから漏れだし、誘電体窓を介して処理容器（チャンバー）中に導入される。
【０００３】
なお、本発明とは技術分野が異なるが、衛星放送用のアンテナについての研究論文（非特許文献１）があり、アンテナのスロット形状について説明されている。
【非特許文献１】Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｂａｎｄ−Ｅｄｇｅ  Ｇａｉｎ
ｉｎ  Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｖｉｄｅｒ，  ＩＥＩＣＥ  ＴＲＡＮＳ．  ＣＯＭＭＵＮ．，ＶＯＬ．  Ｅ７８−Ｂ，  ＮＯ．  ３  ＭＡＲＣＨ  １９９５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ波を発生する装置として使用されるマグネトロン発振器等は、その発振周波数の安定性が悪い。また、出力電力を増減すると、周波数も変化することがある。更に、発振周波数がスロットの設計値からズレを生じると、アンテナ上を伝搬する途中で位相が徐々にずれてしまうことがある。特に、アンテナの周辺部（伝搬の終端部）になるほどマイクロ波の誤差（位相ズレ）が大きくなる。その結果、電磁波（マイクロ波）が、スロットから効率よく放射されないという問題があった。また、その為にアンテナの放射効率及び均一性も低下するという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、処理容器内に効率よく電磁波（マイクロ波）を供給できるプラズマ処理装置およびそれに用いるマイクロ波導波管及びマイクロ波放射アンテナを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るプラズマ処理装置は、内部に被処理基板を収容した処理容器と；プラズマ励起用の電磁波を発生する電磁波発生部と；前記電磁波を前記処理容器内へ放射し、プラズマを発生するアンテナと；前記電磁波発生器が発生した電磁波を前記アンテナへ導く導波管とを備える。前記アンテナには、前記導波管から電力を導入するための給電部と、当該給電部とは反対面に形成された複数のスロットとが形成される。また、前記給電部は、前記アンテナ内を伝搬する電磁波の伝搬距離が短くなる位置に形成される。そして、電磁波は前記アンテナのスロットから前記処理容器内へ放射される。
【０００７】
本発明に係るマイクロ波放射アンテナは、プラズマ励起用の電磁波を導く導波管に接続され、被処理基板を収容した処理容器内へ放射してプラズマを発生するアンテナであり、前記導波管から電力を導入するための給電部と；前記給電部とは反対面に形成された複数のスロットとを備える。前記給電部は、前記アンテナ内を伝搬する電磁波の伝搬距離が短くなる位置に形成される。そして、電磁波は前記アンテナのスロットから前記処理容器内へ放射される。
【０００８】
本発明に係る導波管は、被処理基板を収容した処理容器内へ電磁波を放射するアンテナに接続された導波管であり、前記アンテナに接続される端部が、前記アンテナ内を伝搬する電磁波の伝搬距離が短くなる位置にある。
【０００９】
上記の様に、本発明においては、プラズマ生成用のマイクロ波は、マイクロ波放射アンテナの中央ではなく、その中心部と外周との間の部分からアンテナ内に供給される。これにより、アンテナ内で中心方向と外周方向それぞれに伝搬して、前記平面アンテナのスロットからリークする。つまり、マイクロ波の伝搬距離が従来より短く（約半分に）なるので、伝搬途中での設計周波数と発信周波数との相違に起因する位相ずれを低減させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に用いられるプラズマ処理装置１０の概略構成の例を示す。プラズマ処理装置１０は、被処理基板としてのシリコンウエハＷを保持する基板保持台１２が備えられた処理容器１１を有する。処理容器１１内の気体（ガス）は排気ポート１１Ａおよび１１Ｂから図示されない排気ポンプを介して排気される。なお、基板保持台１２は、シリコンウエハＷを加熱するヒータ機能を有している。なお、エッチング装置の場合には、冷却機能を付加する。
【００１１】
処理容器１１の装置上方には、基板保持台１２上のシリコンウエハＷに対応して開口部が設けられている。この開口部は、石英やＡｌ２Ｏ３からなる誘電体板１３により塞がれている。誘電体板１３の上部（処理容器１１の外側）には、平面アンテナ１４が配置されている。この平面アンテナ１４の下面には、導波管から供給された電磁波が透過するための複数のスロットが形成されている。平面アンテナ１４の更に上部（外側）には、導波管１５が配置されている。導波管１５には、プラズマ生成用のマイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を発生するマグネトロン３０が連結されている。
【００１２】
プラズマ放射用のアンテナとしては、平面アンテナ１４以外に、処理容器１１側（下側）に突出した凸状のアンテナや、下側が凹状となったアンテナを使用することもできる。
【００１３】
図２に導波管１５及び平面アンテナ１４の要部の拡大図を示す。平面アンテナ１４は、内部空間を埋める導波路１５ａ、この導波路１５ａの上部に設けられた給電部１５ｄとで構成されている。導波管１５は、導波部１５ｃを介して電磁波を伝搬し、接続部１５ｂにおいてアンテナ１４の給電部１５ｄに接続される。導波部１５ｃは、マグネトロン３０で発生するマイクロ波を、処理容器１１の上部まで導く。アンテナ１４の最外周部は金属体で囲われ、当該アンテナを伝搬する電磁波が外周部から外部にリークしない構造とすることが好ましい。また、アンテナ１４の内側には、伝搬する電磁波が中心部をまたがって伝搬することを防止する金属体を設けることが好ましい。この金属体は、円筒状或いは円柱状とすることができる。
【００１４】
導波部（円筒導波管）１５ｃは、内導体１５ｆを有する同軸導波管であり、当該内導体１５ｆの端部が接続部１５ｂ（円盤状導波管）の底面に接続されている。また、接続部１５ｂ（円盤状導波管）の底面中心部には、導波部（円筒導波管）１５ｃ側に突出した略円錐形状の一部をなす金属体が設けられている。なお、本実施例においては、同軸ケーブル１５ｆを備えた形式となっているが、単に空洞あるいは誘電体で内部が構成された導波管（１５ｃ，１５ｂ）を使用することもできる。
【００１５】
給電部１５ｄは、導波部１５ｃによって導かれた電磁波の出口である。この給電部１５ｄは、内側の金属板１５ｅ及び外側の金属板１５ｇによって区画される。給電部１５ｄは、その上部で接続部１５ｂと接続されている。また、接続部１５ｂは、導波部１５ｃと接続されている。内側金属板１５ｅは、前記平面アンテナ１４の中心部を覆うように配置されている。この金属板１５ｅと外周部金属板１５ｇとによって、平面アンテナ１４における中心と外周部の中間付近に電磁波が給電されるように、給電部１５ｄが形成される。すなわち、前記アンテナ１４における前記電磁波の伝搬距離が短くなる位置に給電部１５ｄが配置される。給電部１５ｄが、このように配置されていると、アンテナ１４内でのマイクロ波の伝搬距離が従来の約半分になるので、伝播途中での位相ずれを低減することができる。
【００１６】
接続部１５ｂは、導波部１５ｃとの接続部から平面アンテナ１４に向かって給電部１５ｄに至るまで、徐々にその断面積が広がるテーパ状の形状となっている部分を有する。図２において、内側金属板１５ｅの端部から接続部１５ｂ（或いは外周部金属板１５ｇ）の端部までの距離をＷ１、テーパ部の幅をＷ２、接続部１５ｂ（或いは外周部金属板１５ｇ）の半径をρとする。
【００１７】
本実施例においては、例えば、アンテナ１４の直径を６００ｍｍとし、上層導波路高さ１５ｈを１５ｍｍ、下層導波路高さ１５ａを５ｍｍ、金属板１５ｅの厚みを２ｍｍ、下層導波路（１５ａ）内誘電体の比誘電率を９．４とした場合、給電窓１５ｄの幅Ｗ１＝１４．６ｍｍ、テーパ幅Ｗ２＝３３．１ｍｍとする。
【００１８】
また、直径６００ｍｍのアンテナを使用し、上層導波路高さ及び下層導波路高さを１５ｍｍとし、金属板１５ｅの厚みを２ｍｍとした条件下では、給電窓１５ｄの幅Ｗ１＝３７．２ｍｍ、テーパ幅Ｗ２＝１２．６ｍｍ、ρ＝１８２ｍｍとする。
【００１９】
なお、アンテナ１４の直径を７８０ｍｍとした場合には、ρ＝２３７ｍｍとする他は、直径６００ｍｍのアンテナ１４を使用した場合と同じとすることができる。
【００２０】
導波路１５ａは、伝搬してきたマイクロ波を平面アンテナ１４に伝搬させるものである。平面アンテナが円筒状であれば、導波路１５ａは円盤状となる。また、平面アンテナ１４が矩形状であれば、導波路１５ａは直方体（立方体）とすることができる。導波路１５ａ及び給電部導波路１５ｈは本実施例では空洞であるが、内部が誘電体で埋められた構造を採ることもできる。
【００２１】
導波路１５ａまたは接続部１５ｂを覆うように、冷却プレート１６が処理容器１１の外側に配置されている。冷却プレート１６の内部には、冷媒が流れる冷媒路１６ａが設けられている。
【００２２】
基板保持台１２の周囲には、アルミニウムからなるガスバッフル板（仕切り板）２６が配置されている。ガスバッフル板２６の上面には石英カバー２８が設けられている。処理容器１１の内壁には、プラズマ処理に使用されるガスを導入するためのガスノズル２２が設けられている。また、同様に、処理容器１１の内壁の内側には、容器全体を囲むように冷媒流路２４が形成されている。
【００２３】
図３は、図２の平面アンテナ１４を被処理体側から見た様子を示す。平面アンテナ１４の半径のほぼ半分となる半径の位置辺りに、給電部１５ｄが配置される。平面アンテナ１４には、「ハ」の字状のスロット対１４ａが螺旋状に形成されている。ここで、スロット対１４ａはアンテナ１４の内側で右巻きとなり、外側が左巻きとなっている。なお、スロットの形状としては、Ｘ字状、直線状、円弧状等を状況に応じて使用することができる。
【００２４】
図４は、マイクロ波が平面アンテナ１４内で伝搬していく様子を示す。図４の矢印で示されるように、マイクロ波は、給電部１５ｄの真下付近から中心部と周辺部に向かって、伝播していく。そして伝播するにつれて各スロットからマイクロ波が処理容器１１内にリークしていく。
【００２５】
このプラズマ処理装置１０を用いて処理を行う際には、まず、シリコンウエハＷをプラズマ処理装置１０の処理容器１１中にセットした後、排気ポート１１Ａ，１１Ｂを介して処理容器１１内部の空気の排気が行われ、処理容器１１の内部が所定の処理圧力に設定される。その後、シリコンウエハＷがセット（ロード）された処理容器１１中に、ガスノズル２２から、所定の混合ガス（不活性ガス、酸素ガス、窒素ガス等）が導入される。
【００２６】
一方、導波管１５の導波部１５ｃを通って供給される例えば、２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波が、接続部１５ｂ、給電部１５ｄ、導波路１５ａ、平面アンテナ１４の一面に形成されたスロット、誘電体板１３を介して処理容器１１中に導入される。このマイクロ波によりプラズマ生成ガスが励起され、プラズマが生成される。処理容器１１内でのマイクロ波励起によって生成された高密度プラズマは、シリコンウエハＷの表面に酸化膜を成膜させる等のプラズマ処理を行う。
【００２７】
図５は、導波路１５ａにおける他の実施例を示す。前述の導波路１５ａは、内部が空洞かあるいは誘電体で構成されているが、本例では、少なくともその内周側壁面部に電磁波（マイクロ波）を吸収する吸収材１７が配置されている。この吸収材１７は、例えばＳｉＣ（炭化シリコン）などを主成分とした電波吸収体で構成される。この吸収材１７によって、導波路１５ａの内壁まで到達したマイクロ波が反射して干渉することを防ぐことができる。この吸収材１７は、更に導波路１５ａの中央部にも配置することが出来る。これによって、給電部１５ｄから放射されたマイクロ波が導波路１５ａの中央部に到達したとき、集中したマイクロ波による反射や干渉を防ぐことが出来る。
【００２８】
図６は、平面アンテナに形成されるスロットの他の例を示す。図６に示す平面アンテナ１１４には、放射状に形成されたマイクロ波の導入路であるスロット１１４ａが形成されている。このスロット１１４ａは、導入される電磁波（マイクロ波）の波長に応じてその間隔が設定されている。アンテナ面のスロットの設計によっては、管内波長の半分の略自然数倍でもかまわない。本例では、具体的には電磁波の１波長分のピッチに設定されている。なお、図において符号１１５ｄは給電部を示す。
【００２９】
図７は、本発明の更に他の平面アンテナ３４の例を示す。このアンテナ３４は、矩形のＬＣＤ基板を処理するプラズマ処理装置に使用される。平面アンテナ３４は、ＬＣＤ基板の形状に合わせて矩形に成形される。平面アンテナ１４のスロットを形成する面とは反対側の面の中央付近に導波管３６を連結し、給電部３８を形成する。給電部３８から導入される電磁波は、矢印で示すように、中央から左右に伝搬する。アンテナ３４に形成されるスロットは、アンテナの管内波長の略自然数倍の位置に配置することが好ましい。本実施例のように矩形形状の平面アンテナであっても、前述した円形のアンテナの場合と同様の作用効果を得ることが出来る。
【００３０】
以上、本発明の実施例（実施形態）について幾つかの例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マイクロ波は、アンテナの中央ではなく、その中心部と外周との間の部分からアンテナ上に供給されるので、アンテナ上で中心方向と放射方向それぞれに伝搬して、スロットからリークする。このためマイクロ波の伝搬距離が従来の約半分になるので、伝播途中での位相ずれを大幅に少なくすることができる。
【００３２】
また、本発明の導波管は、給電部にテーパ部を設けているので導波管内でのマイクロ波の干渉も少なく放射効率の高い導波管を得ることができる。また、導波路の内周側壁面部に電波吸収材が配置されているので、給電口から放射されたマイクロ波が導波路内の内周側壁面や中央部に到達したとき、マイクロ波による干渉や反射を防ぐことが出来る。更に、平面アンテナのスロットがハの字状に形成されていることで、伝播されたマイクロ波が処理装置内に円偏波として均一に放射される。
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を示す概略図（断面図）である。
【図２】図２は、図１の実施例に係るプラズマ処理装置における要部の構成を示す拡大図である。
【図３】図３は、図２の要部拡大図における構成を平面アンテナ側から見た様子を示す。
【図４】図４は、本実施例において、マイクロ波が伝播する様子を示す説明図である。
【図５】図５は、本発明の他の実施例に係るプラズマ処理装置の導波管の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の他の実施例に係るプラズマ処理装置の平面アンテナの構成を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明の更に他の実施例に係るプラズマ処理装置（ＬＣＤガラス基板用）の平面アンテナの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０    プラズマ処理装置
１１    プラズマ処理容器
１４    平面アンテナ
１４ａ，１４ｂ    スロット
１５    導波管
１５ｂ    接続部
１５ａ    導波路
１５ｃ    導波部
１５ｄ    給電部
１５ｅ，１５ｇ    金属板
１７    電波吸収材
Ｗ    シリコンウエハ
【図１】
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【図２】
2005019346.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005019346.tif 000006
【図５】
2005019346.tif 000007
【図６】
2005019346.tif 000008
【図７】
2005019346.tif 000009